Вычислительный элемент сеточного процессора для решения задач теории переноса

.8015804 С 06 С 7/4 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН и институ о СССР 1984. СССР 1986. ОЧНОГОРИИ числианалоредриивышеИзобретен тельной техн говым сеточнначено для Р носа, описыв уравнениямиЦелью изо сится к вычисли"частности к анало от ике, м пр цессорам, и предназзадач теории переешени дифференциальными ных производных. ия является повымых в ча брет зада 1фиг выч а функци элемент альна изображенлительноггмент сето схе фиг вып нацессора,енных ного пр предлож ненн на основа фиг.3 -ременные диагэлементо ов;н тактирующих си г ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СЕПРОЦЕССОРА ДЛЯ РЕНЕНИЯ ЗАДАЧ ТПЕРЕНОСА(57) Изобретение относится к втельной технике, в частности кговым сеточным процессорам, иназначено для решения задач тепереноса. Цель изобретения - и ение точности решения задач теорииереноса и расширение класса решаемых ние точности решения задач теориипереноса и расширение класса решаемыхзадач. Для достижения поставленнойцели вычислительный элемент сеточногопроцессора содержит три накопительныхконденсатора, два управляемых резистора, повторитель напряжения и группуиз пятнадцати ключей, посредствомкоторых в определенной последовательности производится подключение нако"пительных конденсаторов через управляемые резисторы к узловым точкам сеточного процессора. В результатеодновременного интегрирования моделируемых функций и устранения неоперационных циклов повышается точность ешения, а при помощи управляемьиезисторов осуществляется моделироваие задач сопряженного энергопереноа. 4 ил. таблица соответствия входных управляющих сигналов режимам работы элементаВычислительный элемент содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, десятый 7, одиннадцатый 8, двенадцатый 9, седь" мой 10, восьмой 11, девятый 12, тринадцатый 3, четырнадцатый 14 и пятнадцатый 15 ключи, первьп 16,1, второй 16.2 и третий 163 накопительные конденсаторы, повторитель 17 напряжения, первый 18 и второй 19 управляемые резисторы, первый 20, третий 21, второй 22 и четвертый 23 выходы элемента, первьп; 24;. и второй 25 информационные входы элемента, первый 26,106 4где К и,К+ - произвольно выбираемыепараметры,При этом для случая сопряженногоэнергопереноса, когда одновременно моделируются оба вида теплопереноса - изотропный и анизотропный, справедливы уравнения(5) 3 1580второй 27, третий 28, четвертый 29,седьмой 30, шестой 31, пятый 32, десятый 33, одиннадцатый 34, девятый35 и восьмой Зб тактирующие входыэлемента. 5Ключи 1 - 15 в нормальном положении разомкнуты, эти ключи электронные(ключи с аналоговым либо цифровымуправлением) или оптроны, повторительнапряжения выполнен на операционном 10усилителе, управляемые резисторы -кодоуправляемые, электронные оптоэлектронные.Сеточный процессор, набранный извЫчислительных элементов, позволяетрешать задачи теории перекоса, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных:Зч- = К, -- = О, (1) 20дс г.,дхгде с - моделируемая функция;и х - временная и пространственнаякоординаты;п - индекс мерности моделируемого пространства.Для решения на сеточном процессореуравнение (1) преобразуется в системуконечно-разностных уравнений, например, для двухмерного пространства%, КгК .4+(Ц 1, )+ 1 (оЗС Дх 11 1-1,1 ДУ ЧЧ 11-1) = 0 1 (2)где ц - дискретная узловая моделируемая Функция;,35К г, и К . - коэффициенты, учитывающие2 2составляющие вектора направления переноса на осяхи .11Дх и ду - шаги. конечно-разностной40аппроксимации.Распределение моделирующих потенциалов Чв узле Ц сеточного про)цессора описывается следующим образом:ОЧ.451)120 -- + С .Р (Ч -Ч )+С К.(Ч16 3 1 Г 1 11 1-1, 16-Ч;, ) =О (3)где Г =. 1/Т - частота коммутации накопительных конденсаторов 16.1-16.3 (Т - период коммутации).Сравнивая уравнения (2) и (3) ипблагая, что с=в Ч, нахсдят условияподобия, которые позволяют задатьпараметры элементов в зависимости55от условий решаемой задачи:С 11;=Кг;/(йхк" К ); С К =Кг,/(ЛукК);с, = к,/(2 К"к"),(4) дМк- =кк (-)1 р зх 2 х фдчк - = к (у-р) - г. -оргде 11 и (р - моделируемые функции насеточном процессоре, моделирующем изотропныйперенос, и на сеточномпроцессоре, моделирующеманизотропный перенос;К и К - аккумулирующие свойстваФмоделируемых субстанций;Кг и Кз - коэффициенты соответственно анизотропного иизотропного переносов;К - коэффициент взаимосвязимоделируемых функций,Записывая по аналогии с (2) уравнения (5) в конечно-разностном видеи сравнивая их с уравнениями распре-деления моделирующих потенциалов вузловых точках сеточного процессора,получают условия моделирования, которые для параметров вычислительногоэлемента для моделирования анизотропного переноса подобны (4) и дополняется условием К, , = Кфк/Кдля про 1водимости управляемых резисторов 18и 19,В соответствии с условиями решаемой задачи и условиями подобия (4)осуществляется набор схемы сеточногопроцессора из межузловых элементов.1Элемент работает следующим образом.Рассмотрим узловой элемент, включенный выходом 20 в узловую точку сеточного процессора х, , а выходом21 ; в узловую точку ,1. Вход 24подключен к выходу 23 соседнего узлового элемента, включенного выходом 21в узловую точку -1, 1, а вход 25подключен к выходу 22 другого соседнего элемента, включенного выходом 20в узловую точкуМежузловой элемент выполняет следующие вычислительные операции: производит интегрирование в первом узле(выход 20), интегрирование во второмузле (выход 21), причем начальнымиусловиями для интегрирования в узлеоперации в узле (выход 20), а начальными условиями для интегрирования вузле (выход 20) является результатинтегрирования в узле (выход 21) меж"узлового элемента, включенного в соседнюю узловую точку сеточного процессора.При моделировании переноса в направлении оси 1, т,е. из точки 1-1 вточку , к входам 26 - 30 поступаютпрямоугольные импульсы (временные диаграммы на фиг,3, первые три цикла)и на вход 34 поступает сигнал, замыкающий ключ 14 и подключающий вход24 к выходу 23 другого межузловогоэлемента, включенного в узловые точки .-2, -1.При моделировании переноса в обратном направлении в сторону уменьшения номеров узловых точек управляющийсигнал поступает на вход 35 (ключ15), вход 25 соединен с выходом 22в соседнем узле, и вход повторителя17 нап 1 яжения оказывается подключенным к узлу с большим номером узловойточки,Если по моделируемой оси нет переноса, то на управляющие вход 35 ключа 15 и вход 36 ключа 14 управляющиесигналы не поступают, ключи 14 и 15разомкнуты, и накопительные конденсаторы не осуществляют перенос электри"ческого заряда, имитирующего межузловой теплоперенос, Режимы работы накопительных конденсаторов 16.1-16.3в зависимости от задаваемых управляющих сигналов приведены в таблице(фиг.4).В первый период времени на вход26 поступает прямоугольный импульс,длительность которого определяетсяусловиями решаемой задачи (В=ах/К),на вход 36 поступает сигнал, длительность которого определяется условиемоднонаправленного переноса, на входы29 и 30 последовательно поступаютпрямоугольные импульсы, длительностькоторых Д 1 и д (ДТ=Ж +41 ) определяется техническими характеристикамиприменяемых электрических элементов,11 ри этом ключи 1, 5, 9 и 14 замкнутыв течение всего периода времени, ключ12 замкнут в первую половину периода,а ключ 13 - во вторую половину периода. Накопительный конденсатор 16.1подключен через управляемый резистор18 или ключ 10 (в зависимости от моделируемой задачи внешнего либо внутреннего переноса) к первому выходу 20,включенному в узловую точку 1-1 сеточного процессора, и выполняет операцию интегрирования в узле д рабочий режим - д(РР;) . Накопительный конденсатор 16,2 подключенчерез управляемый резистор 19 илиключ 11 к второму выходу 21, включен ному в узловую точку , и выполняетоперацию интегрирования в узлережим "РР, ", Накопительный конденсатор 16.3 при замкнутом ключе 12 подключен к шине нулевого потенциала - 15 Сброс" (СБ), а при замкнутом ключе13 подключен через ключ 14 и повторитель 17 напряжения к выходу 23 другого межузлового элемента, включенногов узловые точки 1-2, 1-1, производит ся операция "Слежение" эа изменениемпотенциала в узле хэтого межузлового элемента, в результате этой операции осуществляется запись (ЗП ,)на конденсатор 16,3 заряда, пройор ционального величине потенциала навыходе 23 (фиг,4).Во второй период времени замкнутыключи 2, 6, 7 и 14, ключ 12 замкнутв первую половину периода, ключ 13 - 30 во вторую половину. Накопительныйконденсатор 16,1 выполняет операциюинтегрирова гия теперь уже,в узлерабочий режим "РР,", конденсатор 16,2в первый период времени д 1, работаетв режиме "Сброс", а затем переводитсяв режим "Запись" "ЗП ,", накопительный конденсатор 16.3 выполняет операцию интегрирования в узле -1 - рабочий режим (РР 1,).40 В третий период времени замкнутыключи 3, 4, 8 и 14, ключ 12 замкнутв первую половину периода, ключ 13 -во вторую половину, накопительныйконденсатор 16.1 переводится в режим 45 Сброс , затемЗапись(ЗП;,), накопительный конденсатор 16,2 - в рабочий режим "РР;,", конденсатор 16.3в режим "РР; ".Если моделируется перенос в томже направлении, то порядок поступления управляющих сигналов на управляющие входы сохраняется, если направление переноса изменяется, то происходят изменения и в порядке поступления управляющих сигналов Так рнапример, при моделировании переносаиэ узловой точкив -1 порядокпоступления управляющих сигналов приведен на временной, диаграмме (фиг.3)для 4 - б периодов времени, на фиг,мпоказана соответствующая последовательность режимов работы накопительНых конденсаторов. Первым рабочимрежимом теперь является интегрирова 5ние в узле , а затем в узле х, споследующей перезаписью моделируемыхПеременных.Вычислительный элемент моделируетмежузловой перенос по любой из моде. лируемых осей переноса, это могутбыть.и диагональные в плоскости оси,и перпендикулярные в плоскости оси,направление осей определяется конфи 15гурацией моделируемого пространстваи условиями решения задачи,Формула из обретения20Вычислительный элемент сеточного процессора для решения задач теории переноса, содержащий два накопительных конденсатора и группу из двенадцати ключей, первый вывод первого 25 накопительного конденсатора соединен с первыми выводами первого, второго и третьего .ключей, первый вывод второго накопительного конденсатора соединен с первыми выводами четвертого, пятого и шестого ключей, при этом вторые выводы обоих накопительных конденсаторов подключены к шине нулевого потенциала, первый вывод седьмого ключа является первым выходом эле" мента,а второй вывод этого ключа соединен с вторыми выводами первого и четвертого ключей и является вторым выходом элемента, первый выводвосьмого ключа является третьим выхо дом элемента, второй вывод девятого ключа подсоединен к шине нулевого потенциала, управляющие входЫ первого и.пятого ключей подключены к первому тактирующему входу элемента, управля ющие входы второго и шестого ключей подключены к второму тактирующему входу элемента, управляющие входы третьего и четвертого ключей соединены с третьим тактирующим входом элемента, управляющий вход девятого ключа.подключен к четвертому тактирующему входу элемента, управляющие входы седьмого и восьмого ключей являют-.ся соответственно пятыМ и шестымтактирующими входами элемента, о т -л и ч а ю щ н й с я тем, что, сцелью повышения точности решения задач теории переноса и расширениякласса решаемых задач, в него введены третий накопительный конденсатор,повторитель напряжения, три ключаи два управляемых резистора, причемпервый вывод третьего накопительногоконденсатора соединен с первыми выводами десятого, одиннадцатого и двенадцатого ключей, второй вывод третьего накопительного конденсатора соединен с шиной нулевого потенциала,второй вывод десятого ключа соединенс вторым выводом четвертого ключа,вторые выводы второго, пятого и одиннадцатого ключей соединены между собой и подключены к второму выводувосьмого ключа, который является четвертым выходом элемента, вторые выводы третьего, шестого и двенадцатогоключей и первые выводы девятого итринадцатого ключей соединены междусобой, второй вывод тринадцатогоключа подключен к выходу повторителянапряжения, вход которого соединенс первыми выводами четырнадцатогои пятнадцатого ключей, вторые выводыкоторых являются соответственно первым и вторым информационными входамиэлемента, первый вывод первого управляемого резистора подсоединен к первому выводу седьмого ключа, а второйвывод первого управляемого резистораподключен к второму выводу седьмогоключа, первый вывод второго управляемого резистора подключен к первомувыводу восьмого ключа, а второй выводвторого управляемого резистора подключен к второму выводу восьмого ключа, управляющий .вход тринадцатогоключа является седьмым тактирующимвходом элемента, управляющие входычетырнадцатого и пятнадцатого ключейявляются восьмым и девятым тактирующими входами элемента,управляющиевходы первого и второго управляемыхрезисторов являются десятым и одиннадцатым тактирующими входами элемента, 15804061580406 2 ректор М.Максимиши актор ецкая водственн ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Составитель Н Техред М. Хода Заказ 2015 Тираж 560НИИПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Р Королеч Подписноетениям и открьггиям при ГКНТ СЧская наб., д, 4/5